CN110912277A - 一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，包括高频功率电压源、分数阶串联型发射电路、分数阶串联型接收电路和负载；分数阶串联型发射电路由串联连接的原边分数阶电感线圈、第一单端耦合电容金属极板、原边分数阶补偿电容和第二单端耦合电容金属极板构成，分数阶串联型接收电路由串联连接的副边分数阶电感线圈、第三单端耦合电容金属极板、副边分数阶补偿电容和第四单端耦合电容金属极板构成，第一、三单端耦合电容金属极板和第二、四单端耦合电容金属极板分别配成一对相互作用的耦合电容金属极板。本发明利用分数阶元件实现电场耦合和磁场耦合无线电能传输共同传输能量，传输距离得到增加。

Description

一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统
技术领域
本发明涉及空间电场耦合无线电能传输的技术领域，尤其是指一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统。
背景技术
根据电能传输实现机理和方式的不同，无线电能传输技术大致上可分为磁场耦合式无线电能传输技术、电场耦合式无线电能传输技术和微波式无线电能传输技术。其中，微波式虽然传输距离可以达到很远，但效率极低、功率小且耗散严重，目前应用较少。在实际应用场合，磁场耦合式和电场耦合式由于传输功率较大、效率较高，近年来被研究较多。但这两种方式的传输性能均严重受传输距离的限制。随着距离增大，传输效率将大大降低，不利于系统的实际应用。目前，电场耦合式无线输电的传输距离多在厘米等级，磁场耦合式的传输距离多在几十厘米的等级。如何有效提高无线电能传输的距离并保持系统的高效性是该技术目前面临的一个重要难题。
目前，传统的空间电场耦合式和磁场耦合式无线电能传输系统根据电感和电容的连接方式不同可分为串联-串联型、串联-并联型、并联-串联型和并联-并联型。其中，发射电路采用串联连接适用于电压源型逆变器作为电源提供电能，而接收电路采用串联连接适用于电流源型逆变器作为电源提供电能。接收电路采用串联连接适用于大功率负载的应用场合，如电动汽车等，而接收电路采用并联连接则适用于小功率负载的应用场合，如手机等消费电子产品，不同的连接方式均具有重大的研究意义和实际应用价值。
分数阶元件(即分数阶电感和分数阶电容)的概念来源于分数阶微积分。事实上，整数阶电感、电容元件在自然界并不存在，只是目前采用的电感、电容的分数阶数接近于1。随着人们对电感、电容特性认识的不断深入，开始考虑它们的分数阶影响，或有目的地利用它们的分数阶数改进电路性能，且在一些应用场合也已经被证明比整数阶元件更具优势，比如在阻抗匹配电路中的应用。然而，传统的串联型电场耦合式和磁场耦合式无线电能传输系统都是基于整数阶元件实现的，系统参数设计的自由度小，输出功率和传输效率的可调节因素少，受高频电压源技术的限制，很难实现更大功率和更远距离的无线电能传输。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，利用分数阶元件实现电场耦合和磁场耦合无线电能传输共同传输能量，使得两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，不仅大大增加了传统电场耦合和磁场耦合无线电能传输的传输距离和效率，还增加了参数设计的维度，易于系统优化，具有自然恒流输出特性，能够有效提高系统的传输功率，降低系统谐振频率和系统对高频电压源的电压等级要求和设计要求，适用于大功率的应用场合，性能也完全区别于传统的整数阶串联-串联型电场耦合、磁场耦合及电磁场双耦合的无线电能传输系统。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，所述系统包括高频功率电压源、分数阶串联型发射电路、分数阶串联型接收电路和负载，所述高频功率电压源与分数阶串联型发射电路相连，为整个系统提供电能，所述分数阶串联型接收电路与负载相连；所述分数阶串联型发射电路由串联连接的原边分数阶电感线圈、第一单端耦合电容金属极板、原边分数阶补偿电容和第二单端耦合电容金属极板构成，所述分数阶串联型接收电路由串联连接的副边分数阶电感线圈、第三单端耦合电容金属极板、副边分数阶补偿电容和第四单端耦合电容金属极板构成，所述第一单端耦合电容金属极板与第三单端耦合电容金属极板配成一对相互作用的耦合电容金属极板，所述第二单端耦合电容金属极板与第四单端耦合电容金属极板配成另一对相互作用的耦合电容金属极板，所述原边分数阶电感线圈和副边分数阶电感线圈之间通过磁场耦合传递电能，同时两对耦合电容金属极板各自之间产生位移电流，通过电场耦合传输电能，且以上两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，为负载进行无线供电，输出具有恒流特性，且通过调节分数阶元件的阶数能够提高系统的输出功率。
进一步，所述原边分数阶电感线圈和副边分数阶电感线圈的电压、电流微分关系满足：
Figure BDA0002322355870000031
相位关系满足：
Figure BDA0002322355870000032
其中，iLn为分数阶电感线圈的电流，uLn为分数阶电感线圈的电压，Lβn为分数阶电感线圈的感值，
Figure BDA0002322355870000033
为分数阶电感线圈的相位，βn为分数阶电感线圈的阶数，并且0<βn≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。
进一步，所述原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的电压、电流微分关系满足：
Figure BDA0002322355870000034
相位关系满足：
Figure BDA0002322355870000035
其中，iCn为分数阶补偿电容的电流，uCn为分数阶补偿电容的电压，Cαn为分数阶补偿电容的容值，
Figure BDA0002322355870000036
为分数阶补偿电容的相位，αn为分数阶补偿电容的阶数，并且0<αn≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。
进一步，所述原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的电容值与负载和距离无关，只依赖于分数阶元件的阶数，对变负载和变距离具有双重优势。
进一步，所述系统的谐振频率取决于分数阶元件的阶数，通过调节分数阶元件的阶数能够降低系统的谐振频率，从而降低系统对高频电压源的设计要求。
进一步，当原边分数阶电感线圈、副边分数阶电感线圈在阶数为1时，即为整数阶电感线圈；当原边分数阶补偿电容、副边分数阶补偿电容在阶数为1时，即为整数阶电容。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、同时利用电场耦合和磁场耦合两种传输方式为负载进行无线供电，使得系统的传输效率和输出功率较传统的电场耦合、磁场耦合无线电能传输系统得到显著提高，传输距离得到增加，实现远距离且稳定的无线电能传输。
2、采用分数阶元件实现的空间电场和磁场双耦合无线电能传输，完全区别于以往的电场、磁场耦合无线电能传输系统，增加了参数选择的自由度，使传输效率和输出功率更易于调节。
3、通过选取分数阶元件的阶数，可以大大降低系统的谐振频率，从而降低对高频功率电压源及电力电子器件的要求，非常有利于实际系统的设计。
4、分数阶补偿电容值仅依赖于分数阶元件的阶数，不受负载和距离变化的影响，有利于避免系统失谐。
5、通过选择适当的分数阶元件的阶数，有效提高传输功率，有利于更大功率场合的应用。
6、通过调节分数阶元件的阶数，可以实现自然恒流输出，适用于恒流负载的无线供电。
附图说明
图1为实施方式中提供的具体系统结构示意图。
图2为实施方式中提供的具体系统的等效电路原理图。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的内容和特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明，但本发明的实施和保护不限于此。
如图1和图2所示，本实施例所提供的分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，包括高频功率电压源Us、分数阶串联型发射电路、分数阶串联型接收电路和负载RL，所述高频功率电压源Us与分数阶串联型发射电路相连，为整个系统提供电能，所述分数阶串联型接收电路与负载RL相连；所述分数阶串联型发射电路由串联连接的原边分数阶电感线圈Lβ1、第一单端耦合电容金属极板、原边分数阶补偿电容Cα1和第二单端耦合电容金属极板构成，所述分数阶串联型接收电路由串联连接的副边分数阶电感线圈Lβ2、第三单端耦合电容金属极板、副边分数阶补偿电容Cα2和第四单端耦合电容金属极板构成，所述第一单端耦合电容金属极板与第三单端耦合电容金属极板配成一对相互作用的耦合电容金属极板Cc1，所述第二单端耦合电容金属极板与第四单端耦合电容金属极板配成另一对相互作用的耦合电容金属极板Cc2，所述原边分数阶电感线圈Lβ1和副边分数阶电感线圈Lβ2之间通过磁场耦合传递电能，同时两对耦合电容金属极板Cc1、Cc2各自之间产生位移电流，通过电场耦合传输电能，且以上两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，为负载RL进行无线供电，输出具有恒流特性，且通过调节分数阶元件的阶数能够提高系统的输出功率。
其中，原边分数阶电感线圈和副边分数阶电感线圈的阶数和感值分别是β1、β2和Lβ1、Lβ2，β1、β2满足0<β1、2≤2；原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容的阶数和容值分别是α1、α2和Cα1、Cα2，α1、α2满足0<α1、2≤2。原边分数阶电感线圈、原边分数阶补偿电容、副边分数阶电感线圈和副边分数阶补偿电容阻抗表达式分别是：
Figure BDA0002322355870000051
Figure BDA0002322355870000052
Figure BDA0002322355870000053
Figure BDA0002322355870000061
由上述阻抗表达式可知，分数阶电感线圈可等效成随工作频率和阶数变化的整数阶电阻和整数阶电感的串联，分数阶补偿电容可等效成随工作频率和阶数变化的整数阶电阻和整数阶电容的串联，即：
Figure BDA0002322355870000062
Figure BDA0002322355870000063
Figure BDA0002322355870000064
Figure BDA0002322355870000065
根据耦合模理论，系统的耦合模方程为：
Figure BDA0002322355870000066
式中，a1和a2被定义为原边谐振电路和副边谐振电路储能的复变量，其模值的平方表示谐振电路储存的能量，具体表达式为：
Figure BDA0002322355870000071
式中，i1和i2分别为发射电路的电流和接收电路的电流，uCα1_eq和uCα2_eq分别为原边分数阶补偿电容和副边分数阶补偿电容虚部阻抗分量的电压。
τ1、τ2分别为发射电路的总损耗率和接收电路的总损耗率，且τ1＝τCα1+τLβ1，τ2＝τCα2+τLβ2+τL，其中τCα1、τLβ1、τCα2、τLβ2分别为电路中各元件的损耗率，τL为负载系数，具体表达式如下：
Figure BDA0002322355870000072
Figure BDA0002322355870000073
Figure BDA0002322355870000074
Figure BDA0002322355870000075
负载系数为
Figure BDA0002322355870000081
ω1、ω2分别为发射和接收器的谐振角频率，表达式如下：
Figure BDA0002322355870000082
由上式可知，系统的谐振角频率不仅取决于分数阶电感线圈的感值和分数阶补偿电容的容值，还与分数阶电感线圈和分数阶补偿电容的阶数有关，而传统的整数阶电场和磁场耦合无线电能传输系统的谐振角频率只由电感值和电容值决定。
Figure BDA0002322355870000083
为电磁场能量耦合系数，其中kc为电场耦合系数，km为互感耦合系数，具体表达式如下：
Figure BDA0002322355870000084
Figure BDA0002322355870000085
这里，
Figure BDA0002322355870000086
Cc1和Cc2是单对耦合金属极板的等效电容，一般有Cc1≈Cc2＝εS/d，S为极板的面积，d为传输距离，且kc、km<<1。
Fejωt为外加激励在耦合模公式中的表达式，且
Figure BDA0002322355870000087
Us为外加高频功率电压源的有效值。
根据耦合模方程可求得a1和a2的稳态解为：
Figure BDA0002322355870000091
则发射电路和接收电路的能量|a1|2、|a2|2分别为：
Figure BDA0002322355870000092
由此可得系统的输出功率和传输效率分别为：
Figure BDA0002322355870000093
Figure BDA0002322355870000094
为了使系统发射电路和接收电路实现系统的谐振补偿，则工作角频率满足：ω＝ω1＝ω2，则系统的输出功率和传输效率可表示为：
Figure BDA0002322355870000095
Figure BDA0002322355870000096
由上述方程可知，系统的输出功率和传输效率不仅与电源的工作角频率ω、耦合电容值Cc和互感M有关，还与分数阶电感线圈的阶数β1、β2和分数阶补偿电容α1、α2的阶数有关。而传统的电磁场双耦合无线电能传输系统的输出功率和传输效率只与工作角频率ω、耦合电容值Cc和互感M有关。
由上述分析可知，本发明利用分数阶元件实现串联型电场耦合和磁场耦合无线电能传输共同传输能量，使得两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，不仅大大增加了传统电场耦合和磁场耦合无线电能传输的传输距离和效率，还增加了参数设计的维度，易于系统优化，具有自然恒流输出特性，能够有效提高系统的传输功率，降低系统谐振频率和系统对高频电压源的电压等级要求和设计要求，适用于大功率的应用场合，性能也完全区别于传统的整数阶串联-串联型电场耦合、磁场耦合及电磁场双耦合的无线电能传输系统，本发明系统的优点显而易见，值得推广。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统包括高频功率电压源(Us)、分数阶串联型发射电路、分数阶串联型接收电路和负载(RL)，所述高频功率电压源(Us)与分数阶串联型发射电路相连，为整个系统提供电能，所述分数阶串联型接收电路与负载(RL)相连；所述分数阶串联型发射电路由串联连接的原边分数阶电感线圈(Lβ1)、第一单端耦合电容金属极板、原边分数阶补偿电容(Cα1)和第二单端耦合电容金属极板构成，所述分数阶串联型接收电路由串联连接的副边分数阶电感线圈(Lβ2)、第三单端耦合电容金属极板、副边分数阶补偿电容(Cα2)和第四单端耦合电容金属极板构成，所述第一单端耦合电容金属极板与第三单端耦合电容金属极板配成一对相互作用的耦合电容金属极板(Cc1)，所述第二单端耦合电容金属极板与第四单端耦合电容金属极板配成另一对相互作用的耦合电容金属极板(Cc2)，所述原边分数阶电感线圈(Lβ1)和副边分数阶电感线圈(Lβ2)之间通过磁场耦合传递电能，同时两对耦合电容金属极板(Cc1、Cc2)各自之间产生位移电流，通过电场耦合传输电能，且以上两种耦合方式产生的耦合机制相互叠加，为负载(RL)进行无线供电，输出具有恒流特性，且通过调节分数阶元件的阶数能够提高系统的输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原边分数阶电感线圈(Lβ1)和副边分数阶电感线圈(Lβ2)的电压、电流微分关系满足：
Figure FDA0002322355860000011
相位关系满足：
Figure FDA0002322355860000012
其中，iLn为分数阶电感线圈的电流，uLn为分数阶电感线圈的电压，Lβn为分数阶电感线圈的感值，
Figure FDA0002322355860000013
为分数阶电感线圈的相位，βn为分数阶电感线圈的阶数，并且0<βn≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。
3.根据权利要求1所述的一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原边分数阶补偿电容(Cα1)和副边分数阶补偿电容(Cα2)的电压、电流微分关系满足：
Figure FDA0002322355860000021
相位关系满足：
Figure FDA0002322355860000022
其中，iCn为分数阶补偿电容的电流，uCn为分数阶补偿电容的电压，Cαn为分数阶补偿电容的容值，
Figure FDA0002322355860000023
为分数阶补偿电容的相位，αn为分数阶补偿电容的阶数，并且0<αn≤2，其中，n＝1或2分别表示发射电路或接收电路。
4.根据权利要求1所述的一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述原边分数阶补偿电容(Cα1)和副边分数阶补偿电容(Cα2)的电容值与负载和距离无关，只依赖于分数阶元件的阶数，对变负载和变距离具有双重优势。
5.根据权利要求1所述的一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：所述系统的谐振频率取决于分数阶元件的阶数，通过调节分数阶元件的阶数能够降低系统的谐振频率，从而降低系统对高频电压源的设计要求。
6.根据权利要求1所述的一种分数阶串联型电磁场双耦合无线电能传输系统，其特征在于：当原边分数阶电感线圈(Lβ1)、副边分数阶电感线圈(Lβ2)在阶数为1时，即为整数阶电感线圈；当原边分数阶补偿电容(Cα1)、副边分数阶补偿电容(Cα2)在阶数为1时，即为整数阶电容。
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